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admin

2016-12-29 17:05:29

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형상기억합금[shape memory alloy]

똑바른 철사를 준비하고(그림(a)), 이것을 임의의 형태로 굽힌 후(그림(b)) 어느 온도 이상으로 가열하면(그림(c), (d)) 원래대로 똑바른 형상으로 돌아와 버리는(그림(e)) 합금이 있다. 이 현상이 형상기억효과이고, 이러한 합금을 형상기억합금으로 부르고 있다.

형상기억효과가 일어나는 조건 및 이유는 이하와 같다. 합금에 있어서 상변태의 하나로 마르텐사이트변태가 있다. 마르텐사이트변태를 일으키는 합금으로 고온에서 나타나는 상을 모상(母相), 저온에서 나타나는 상을 마르텐사이트라고 부른다.

마르텐사이트변태 중에서 열탄성형이라고 불리우는 변태를 일으키는 합금결정에 마르텐사이트변태에서 외부응력을 가하면 미끄럼이 일어나는 대신에 마르텐사이트 형제 정간(晶間)에 한쪽이 다른쪽을 먹는 경합이 생기고, 이에 따라 신장 또는 압축변형이 발생한다. 그 후 역변태 종료온도 Af 이상으로 가열하면 마르텐사이트가 모상으로 역변태함에 따라 변형 전 모상의 형상으로 돌아온다. 이것이 형상기억효과이다.

보통 금속의 소성변형은 미끄럼이라는 비가역과정에 의해 일어나기 때문에 가열 또는 냉각으로 회복되는 것은 없다. 열탄성형변태를 일으키는 합금에서 형상회복이 완전한 형태로 일어나는 이유는 열탄성형변태에서는 가열에 의한 역변태시 원래 결정구조만이 아닌 원래의 결정방위를 가진 모상으로 복원된다고 하는 결정학적가역성을 가지기 때문이다.

형상기억합금에는 Ni-Ti, Cu-Al-Ni, Cu-Zn, Cu-Zn-Al, Ni-Al합금 등이 있다. 특히 Ni-Ti합금(사진)은 강도, 인성, 내식성, 내마모성에도 우수하기 때문에, 이미 실용재로서 이용되어 니티놀이라는 상품명으로 알려지고 있다. 형상기억합금은 종래의 금속에 없는 성질을 가진 합금이기 때문에 새로운 기능성재료로서 파이프의 조이기와 접속, 온도감지기 또는 온도조절기, 열에너지의 기계적에너지로의 변환기, 인공신장용의 밸브 등 폭 넓게 이용되고 있다.

이상의 전형적인 열탄성형합금 외에 비열탄성합금에서도 Fe- Mn-Si 등 어느 조건 하에서 형상기억효과를 나타내는 것이 있고, 염가이기 때문에 철계형상기억합금으로도 관심을 가지고 있다.